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Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Spannungen oder Ströme
Zusatz zum Patent 943420 In dem Hauptpatent ist eine Schaltungsanordnung beschrieben,
bei welcher der zu messende elektrische Widerstand, dessen Wert vornehmlich in einem
sehr weiten Bereich liegen kann, Teil eines mit Gleichstrom oder Wechselstrom betriebenen
Netzes oder Netzwerkes ist, in welches spannungsabhängige bzw. stromabhängige Widerstände
in der Weise eingefügt sind, daß ihre Werte von Strom und Spannung des zu messenden
Widerstandes abhängen und sich bei Variation dieses Widerstandes vorzugsweise im
gleichen Sinne und in der gleichen Größenordnung wie dieser ändern, so daß eine
von den genannten Elementen abhängige elektrische Größe des Netzes oder Netzwerkes
ein Maß für die Größe des zu bestimmenden Widerstandes bildet.
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Die Erfindung betrifft die Anwendung des dem Hauptpatent zugrunde
liegenden Erfindungsgedankens zum Messen elektrischer Spannungen oder Ströme, deren
Werte vornehmlich innerhalb eines sehr ausgedehnten Bereiches liegen.
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Für Spannungsmessungen an Objekten mit sehr großen Widerständen verwendet
man außer elektrostatischen Spannungsmessern Röhrengalvanometer, die ersteren gegenüber
bezüglich Empfindlichkeit, Zeitdauer eines Meßvorganges, Handhabung und ganz besonders
bezüglich Aufstellung und Justierung große Vorteile aufweisen.
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Um die Messung mit einem Röhrengalvanometer möglichst verlustlos
zu gestalten, wählt man den Arbeitspunkt der Röhre in bezug auf den Gitterstrom
derart, daß man im Punkt des freien Gitter-
potentials, d. h. beim
Gitterstrom Null, arbeitet.
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Die zu messende Spannung bewirkt ein Abweichen von diesem Arbeitspunkt
und damit einen Gitterstrom, der eine Belastung des Meßobjektes mit sich bringt,
die mit größer werdender Spannung sehr rasch anwächst und dadurch bei großen Widerständen
des Meßobjektes zu falschen Ergebnissen führen kann. Diese Gefahr liegt besonders
dann nahe, wenn bei der Messung an einem Objekt einzelne Meßreihen sich über relativ
kleine Spannungen, andere dagegen über Spannungen erstrecken, die um viele Zehnerpotenzen
größer sind, und die Erweiterung des Meßbereiches des Röhrengalvanometers dabei
in bekannter Weise durch Shunten des Anzeigeinstrumentes erfolgt.
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Ein charakteristisches Beispiel dafür ist die Messung des Kristallphotoeffektes
\ in Abhängigkeit von der Frequenz des einfallenden Lichtes bei verschiedenen Temperaturen.
Der geschilderte Fehler kann hier so groß werden, daß zwar für relativ kleine Meßspannungen
der Widerstand des Röhrengalvanometers groß gegenüber dem Meßobjekt ist, die Messung
also, die Photospannung ergibt, bei großen Meßspannungen dagegen so klein wird,
daß die Messung praktisch zu einer Kurzschluß strommessung ausartet. Der geschilderte
über stand ist der Hauptgrund dafür, daß Röhrengalvanometer bisher wenig Eingang
in die Meßtechnik gefunden haben.
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Diesen tSbelstand beseitigt die vorliegende Erfindung durch die gleichen
Schaltmaßnahmen, wie sie im Hauptpatent beschrieben sind, und zwar dadurch, daß
das Meßobjekt, dessen Spannung oder Strom gemessen werden soll, Teil eines mit Gleichstrom
oder Wechselstrom betriebenen Netzes oder Netzwerkes ist, in welches spannungsabhängige
oder stromabhängige Widerstände in der Weise eingefügt sind, daß ihre Werte von
Spannung oder Strom des Meßobjektes abhängen und sich bei Änderung dieser Größen
vorzugsweise in der gleichen Größenordnung wie diese ändern, so daß eine von den
genannten Elementen abhängige Größe des Netzes oder Netzwerkes ein Maß für die zu
bestimmende Größe des Meßobjektes bildet.
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Das Wesen der Erfindung sei an Hand der Fig. I und 2 näher erläutert.
Fig. I zeigt die Anwendung des Erfindungsgedankens auf eine an sich bekannte Röhrengalvanometerschaltung
gemäß der deutschen Patentschrift 76304in Die Schaltung arbeitet mit einer Raumladegitterröhre
I in Brücken, schaltung und wird aus der Gleichstromquelle 2 gespeist. Die Widerstände
3, 4 dienen zur Herstellung der erforderlichen Heizspannung und Steuergittervorspannung.
Die Spannungen an der Röhre sind so gewählt, daß bei kurzgeschlossenem Eingang des
Röhrengalvanometers der Gitterstrom Null ist. Als Brückenindikator dient ein Differentialgalvanometer
5, an dessen einem Klemmenpaar die Brückendiagonalspannung und an dessen anderem
Klemmenpaar eine Hilfsspannung liegt, die eine - der Diagonalspannung entsprechende
Charakteristik aufweist, wodurch die Anzeige des Brùckenindikators in einem bestimmten
Gebiet von Spannungsschwankungen der Speisestromquelle unabhängig ist.
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Das Meßobjekt 6, dessen Spannung x gemessen werden soll, liegt an
der Reihenschaltung der beiden Widerstände, spannungsunabhängiger Widerstand 7 und
Elektronenwiderstand Steuergitter-Kathode. (Der Widerstand 4 ist um sehr viele Größenordnungen
kleiner als die genannten Widerstände, so daß er bei diesen Betrachtungen keine
Rolle spielt.) Wenn x von Null verschieden und so gerichtet ist, daß der positive
Pol des Meßobjektes an dem Widerstand 7 liegt, fließt ein positiver Gitterstrom.
Er erzeugt an dem Widerstand 7 einen Spannungsabfall, so daß an dem.
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Steuergitter nur ein Bruchteil der zu messenden Spannung zur Wirkung
kommt. Das Verhältnis - am Gitter wirksame Spannung zu Meßspannung - ist nicht konstant.
Die Elektronenstrecke Steuergitter-Kathode stellt einen spannungsabhängigen bzw.
stromabhängigen Widerstand dar. Mit größer werdender Meßspannung nimmt der Gitterstrom
exponentiell zu und damit der Widerstand der Elektronenstrecke ab. Der spannungsabhängige
Widerstand ist weiterhin so gewählt, daß für relativ kleine Meßspannungen sein Wert
in der Größenordnung des Widerstandes 7 liegt und mit größer werdender Meßspannung
etwa in der gleichen Größenordnung wie diese abnimmt. Mit zunehmender Meßspannung
wird damit auch das Verhältnis Meßspannung zu an der Röhre wirksam werdender Spannung
größer. Zur Messung der Spannung an dem Widerstand Gitter-Kathode dienen in dein
Ausführungsbeispiel die Beziehungen, die einerseits zwischen der Steuergitterspannung
und dem Anodenstrom und andererseits zwischen der Steuergitterspannung und dem Raumladegitterstrom
der Röhre bestehen. In dem hier in Frage kommenden Bereich bewirkt ein Ansteigen
der Steuergitterspannung eine lineare Zunahme des Anodenstromes und eine lineare
Abnahme des Raumladegitterstromes, und beide Stromänderungen bewirken in gleichem
Sinne eine Änderung der an dem einen Klemmenpaar des Differentialgalvanometers 5
liegenden Diagonalspannung, die damit ein Maß für die Steuergitterspannung und damit
ein Maß für die zu messende Spannung bildet.
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In der Fig. 2 ist die Charakteristik der beschriebenen Meßanordnung
wiedergegeben, bei welcher auf der Abszissenachse die Logarithmen der Spannungswerte
r und auf der Ordinatenachse die Ausschläge des Brückeninstrumentes in linearem
Maßstab aufgetragen sind. Die Figur läßt erkennen, daß die Beziehung zwischen den
Größen in dem gewählten Bereich praktisch linear verläuft und die Meßanordnung einen
sehr großen Spannungsbereich umfaßt.
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Die beschriebene neue Schaltung weist durch die Anwendung des Erfindungsgedankens
gegenüber den bekannten Schaltungen eine Reihe von Vorteilen auf. Der Eingangswiderstand
bei kleinen
Meßspannungen ist größer geworden. Mit zunehmender Meßspannung
nimmt dieser Widerstand nur so wenig ab, daß er größenordnungsmäßig unverändert
bleibt, während er bei den bekannten Schaltungen mit zunehmendem x um viele Größenordnungen
kleiner wird. Die Röhre arbeitet immer in der Nähe des gewählten Arbeitspunktes
auf der Gitterstromkennlinie, die Belastung des Meßobjektes durch das Röhrengalvanometer
bleibt auch bei sehr großen Meßspannungen sehr klein und innerhalb eines vorher
genau festlegbaren Bereiches, so daß keine Gefahr mehr besteht, daß das Meßergebnis
durch ein unzulänglich großes Anwachsen des Gitterstromes gefälscht werden könnte.
Die Meßgenauigkeit bleibt in dem gesamten Bereich konstant, und das Gebiet, innerhalb
welchem die Anzeige des Brückeninstrumentes unabhängig von Schwankungen der Brückenstromquelle
bleibt, ist bedeutend größer geworden.
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Die beschriebene Anordnung gibt nur ein Beispiel für die Ausgestaltung
einer Meßanordnung gemäß dem Erfindungsgedanken wieder. Seine Anwendung ist weder
auf die Verwendung in Röhrengalvanometerschaltungen noch auf die Verwendung von
Elektronenröhren noch auf die Messungen von Gleichspannungen beschränkt. Anwendung
und Ausgestaltung können entsprechend den Ausführungen des Hauptpatents in mannigfacher
Weise ganz allgemein zur Messung von Gleich- und Wechselspannungen bzw. Gleich-
und Wechselströmen dienen, wobei diese Größen selbst wiederum von anderen Größen
abhängen und die Meß anordnungen damit mittelbar zur Bestimmung dieser Größen Verwendung
finden können.
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Als spannungsabhängige bzw. stromabhängige Widerstände können alle
Schaltelemente dienen, bei welchen der Quotient - angelegte Spannung dividiert durch
den durchfließenden Strom - eine Funktion der angelegten Spannung bzw. des Stromes
in dem Schaltelement ist, wie Elektronenstrecken, Ionenstrecken, Trockengleichrichter,
gesättigte oder vormagnetisierte Drosseln, Heiß leiter usw. Der Bereich, innerhalb
welchem sich der Quotient ändern soll, kann, wie im Hauptpatent ausgeführt ist,
durch die Art dieser Elemente, durch ihre Dimensionierung, durch Regelung von außen,
wie z. B. bei Diodenstrecken mit Hilfe der Heizung der Kathode usw., dem Bereich,
innerhalb welchem die Werte der zu messenden Größe liegen, angepaßt werden. Ebenso
läßt sich durch diese Maßnahmen und weiterhin durch die gleichzeitige Verwendung
mehrerer spannungsabhängiger Widerstände, z. B. unter Verwendung von Mehrgitterröhren
oder Röhren mit mehreren Systemen oder Schaltkombinationen aus solchen, gegebenenfalls
auch mit spannungsunabhängigen Widerständen, die Charakteristik der Anordnung weitgehend
beeinflussen und einem vorgebenen Verwendungszweck anpassen.
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Die Anordnungen können auch zu Regel- oder Steuerorganen ausgestaltet
werden, z. B. durch Verwendung eines Drehmagneten als Brückenindikator, der beim
Unterschreiten oder Überschreiten eines vorgegebenen Wertes den Schaltvorgang auslöst.